塑膠時代的必備常識- 科學月刊Science Monthly

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PVC 本身製造價格便宜、加工方便、難燃性佳等優點, 再配合塑化劑(Plasticizer)的摻混,可調整其柔軟性;或添加石粉等無機粉末,以增加剛性和耐磨擦性等,亦同時具有其他 ... Search/搜尋 分類選單 -文章分類- 封面故事 NewsFocus 專訪 專欄 科技報導 評論 精選文章與其他 活動訊息 評論 文章專區 2011-07-01塑膠時代的必備常識 499期 Author作者 黃景忠/就讀淡江大學化學系博士班;陳幹男/任教淡江大學化學系 塑膠塑膠製品塑膠材料 市面上各種琳瑯滿目的材料,令人眼花撩亂的塑膠產品,尤其物美價廉且多樣化的用途,令人難以抗拒。

人類文明的發展,從石器、銅器到鐵器時代,歷經數千年的演變,直到20世紀中葉,似乎地球上的人類卻在短短幾十年內,就改變材料應用的習慣,情有獨鍾地愛上「塑膠」材料,其實我們早已不知不覺地邁入歷史空前的「塑膠時代」,這種人類重大且迅速的改變,主要起源於石油化學工業的發展。

千變萬化的高分子化學工藝 塑膠材料是化學工業的分工和整合的成果,首先從原油輕油裂解、分離、純化及製造各種單體原料的石化工業製程,再經由化學合成和材料加工技藝的推波助瀾,開發製造現今各種塑膠產品,不僅輕巧耐用,而且物美價廉,已經成為人類生活的一部分;人類應用塑膠材料產品的習慣程度,隨著生活水準的提高,更提升應用塑膠材料的要求,因此近年來地球上人類對於塑膠材料的需求量每年有增無減。

隨著高分子化學工藝的發展,陸續發明運用不同單體原料,製造多樣化合成高分子材料,如彈性體(Elastomer,俗稱橡膠)、纖維(Fiber)、塑膠(Plastics)等大類,每種高分子材料,各有獨特的性質;將兩種以上材料相互摻混加工,產生另有一種加乘性質的新材料,這是高分子化學工藝的奧妙,譬如:ABS工程塑膠(Engineeringplastics)、纖維補強塑膠(Fiber-reinforcedplastics,簡稱FRP)和摻混複雜(如碳黑、白煙、塑化劑、安定劑、抗氧化劑、交聯劑等配方)的橡膠等,經過專業的加工程序,因應特殊性質和用途的需求。

至於泛用塑膠材料雖然單體原料簡單(圖一和圖二),但是千變萬化的聚合條件和單體原料組合,可以製造各種性質的類似材料,如聚乙烯(PE)多樣化的產品。

雖然了解塑膠材料的來龍去脈,絕對是專業的範疇,但塑膠產品跟人類幾乎已到如人影隨行的地步,大家至少需要認識生活周邊塑膠產品的真面貌,這是現代人的基本常識。

  圖一:泛用塑膠聚合示意圖。

圖二:聚對苯二甲酸乙二酯(PET)聚合示意圖。

  了解生活中常用的塑膠材料 目前常用的塑膠材料種類,五花八門不勝枚舉;從國際生產塑膠總量統計前四名,並以使用量排序:第一、聚乙烯(Polyethylene,簡稱PE),第二、聚丙烯(Polypropoylene,簡稱PP),第三、聚氯乙烯(Polyvinylchloride,簡稱PVC),第四、聚苯乙烯(Polystyrene,簡稱PS)等四種塑膠,國際通稱泛用塑膠(UniversalPlastics)。

然而我國產量居世界前茅(第一或第二)的聚對苯二甲酸乙二酯(Polyethyleneterephthalate,簡稱PET),即是國內幾乎家家戶戶天天皆會使用的PET塑膠(寶特瓶或聚酯透明膜)和聚酯纖維。

這五種塑膠分別是種具有高分子量(一萬或數萬單位以上)直線型的有機材料,且皆具有熱可塑性質,故均稱「熱塑性塑膠」(Thermoplastics)。

這些塑膠材料常溫時為固體,加工時經加熱軟化或熔融,並能流動加壓注模,冷卻後即為成型固體,此「熱塑性塑膠」產品邊料或廢料均可回收再重複加工應用。

市面上的「熱塑性塑膠」產品底部均會烙印帶有數字的國際通用塑膠編號(圖三),表示它可供回收再利用的材質分類: 這五大常用塑膠的真實面目為何?我們就簡要介紹如下,讓讀者了解它們。

  圖三:國際通用回收塑膠辨識標誌。

聚對苯二甲酸乙二酯(PET) 1950年代杜邦生產堅韌的聚酯薄膜(Mylarfilm,圖二)應用太空研究材料、影音記錄磁帶、X光或照相底片等;在1976年則廣泛應用於飲料瓶,也就是俗稱的「寶特瓶」。

因為它的硬挺度、韌性極佳,質量輕(僅玻璃瓶的1/9~1/15),耐撞、化學穩定性佳、攜帶方便,生產時能量消耗少,屬價廉物美料的容器,用量之大幾乎達到被濫用的階段,幸好在台灣有獨創義工團體的回收管道,順利地將廢棄的「寶特瓶」回收,透過國內的合成纖維大廠將回收「寶特瓶」再利用,製造PET纖維(相同化學組成,只是分子量較低些的聚酯纖維),並成功地推廣應用於織物產品,獲得國際社會的肯定。

最近「寶特瓶」PET材質的也被應用於建材上,2010~2011年在台北市舉辦的國際花卉博覽會場流行館「遠東環生方舟」,就是「寶特瓶」在世界建築史上的另類應用。

聚乙烯(PE) 可分為多種分子量和不同側鏈程度的PE,提供PE的熔點、軟硬度、透明度等物理性質。

超高分子量PE(漁網、工業布膜、降落傘等用纖維);高密度PE(牛奶瓶、布丁盒、化學藥品容器等);中密度PE、低密度PE、直鏈低密度PE、超低密度PE(包裝膜、保鮮膜等);架橋型PE(保護墊、瑜珈墊、飲料密封瓶蓋墊片、吸波材等);乙烯共聚物等各種軟、硬、彈性、剛性的乙烯聚合物均由聚合條件和原料可以調整。

聚氯乙烯(PVC) 應用在非食品接觸的用途,如水管、醫療用管件、家電電線、合成皮(汽車、家具沙發、皮包、皮帶、鞋面、雨衣等)、塑膠地磚等。

PVC本身製造價格便宜、加工方便、難燃性佳等優點,再配合塑化劑(Plasticizer)的摻混,可調整其柔軟性;或添加石粉等無機粉末,以增加剛性和耐磨擦性等,亦同時具有其他塑膠材質的優點,故現今PVC的用途最為廣泛。

聚丙烯(PP) 主要用於蓄電池外殼、瓶罐、吸管等產品。

PP與PE兩者的結構極為相似,若干物理性能及機械性能比PE好,例如︰PP熔點可高達140℃,可以使用蒸氣消毒或製成微波加熱專用的容器。

吸管和飲料杯均是由PP材料所製成;至於澳大利亞的通行貨幣(請見圖四),即是使用加工PP膜來取代傳統紙鈔。

  圖四:澳大利亞的通行貨幣(PP紙)。

​​​​​​​ 聚苯乙烯(PS) PS吸水性低,且其尺寸安定性佳、質輕、透明;未發泡PS主要應用於玩具、攪拌棒與免洗餐具杯子等;發泡型PS(EPS,俗稱保麗龍),係利用添加發泡劑在製程中進行20~100倍不等倍率發泡,用於包裝家電、資訊產品、蛋糕之緩衝包裝材,或具絕熱的冰品容器、熱飲的杯子、免洗餐具等,因為處理廢棄保麗龍,僅有高溫焚化一途,我國和世界各先進國家,以環境負擔的理由,已禁用免洗餐具用途的保麗龍。

只有PVC需要添加塑化劑 五大塑膠材料,除了PVC以外,均屬單純的高分子材料,應用其真實的各項性質,無需藉助添加物。

只有PVC需要添加許多添加物,如塑化劑用量(約5~30%)調整不同軟硬度的用途,加入安定劑延長使用年限等。

PVC製程中加入的塑化劑種類非常多,工業界通稱為DOP,主要的像是i-2-ethylhexylphthalate(簡稱DEHP),一些用柔性PVC合成皮做的物品,譬如全新的沙發、鞋子、皮包或雨衣等,我們經常會聞到一股強烈的塑膠味道,其實這就是塑化劑DEHP的氣味。

PVC具有其他塑膠材質的優點,故現今PVC的用途最為廣泛。

但是現有的PVC成品是經由複雜配方(塑化劑、安定劑、無機添加劑、顏料等)加工而成的塑膠產品,然而這些添加物的摻混,沒有任何化學鍵結,容易遷移(Migration)至產品表面,尤其應該留意DEHP塑化劑的毒性;雖然無法測得塑化劑溶出量是否會超過「每日容許攝取量」(TolerableDailyIntake),因此含DEHP塑化劑的塑膠絕對不可以與食物或是人體長時間接觸。

PVC使用後無法回收直接再利用,再加上該材質因材料所含的有機氯(Organochlorine),經高溫(焚化)處理PVC之過程會產生劇毒性的戴奧辛(2,3,7,8-tetrachlorodibenzo-p-dioxin,簡稱dioxin),已證實對生物體會造成健康的危害,近年來各國已逐漸限制含有機氯的高分子材料(PVC、氯平橡膠、氯化臘等含有機氯材料)的應用。

軟性PVC其所含的塑化劑將會隨產品的使用,尤其廢棄PVC產品,將逐漸逸散至空氣,或溶入地下水或河流。

塑化劑DEHP因為屬環境賀爾蒙的一種,若累積過多將會造成環境危害,如果超過「每日容許攝取量」(TolerableDailyIntake),更會造成接觸生物的傷害,而這也是目前社會最關心的議題。

使用塑膠應注意的事項 上述常用的五大塑膠材料,雖然好用、耐用、用途廣、價廉物美等優點,相當值得愛惜;也請提醒大眾避免誤用塑膠材料,造成危險,釀成環境的傷害,因為它們的若干缺點無法改變,應特別注意,譬如: 一、低熔點的熱塑性塑膠,容易受熱變形或融熔(除了HDPE和PP可用蒸氣消毒外),應該避免在高溫度(80℃以上)環境使用。

二、易燃的有機材料,絕對不可直接與火源接觸極易引燃,(PVC雖屬難燃材料),受高熱時均會起火燃燒,產生大量黑煙(碳化氣體),尤其PVC更會產生劇毒性的戴奧辛。

三、避免接觸有機溶劑(PET、PS、PVC等溶於丙酮、甲苯等溶劑)或油脂等,它們均是直鏈型(未交聯)的有機高分子,有可能會有較小的分子材料會被溶解。

我國的塑膠材料工藝已是國際領先的強國,雖然我們並沒有石油資源,卻擁有穩定的塑膠材料原料來源和產品應用技術,尤其開發跨領域材料應用技術,我們具有開發新產品的獨特環境和競爭優勢。

在21世紀「塑膠時代」享受物美價廉的塑膠產品,對於我國長年持續貢獻的科學家、工程師、有眼光的企業家,表達由衷敬佩之意。

參考資料 1.陳宗應、陳品嫻、陳幹男,〈乙烯聚合物的真情告白〉,《科學月刊》42卷第3期194-200頁,2011年。

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